摘要：论述了PE燃气管材的性能和优缺点、焊接施工质量管理要点。
关键词：PE燃气管材；焊接；质量管理
Quality Management of PE Gas Pipeline Construction
JI Bin，LV Shang-feng，WANG Jian，HAN Yan-xia
Abstract：The performance，advantages and disadvantages of PE pipe material and the main points in quality management of welding construction are discussed.
Key words：PE pipe material；welding；quality management
随着我国聚乙烯压力管材生产工艺的日益成熟，聚乙烯(PE)管道施工技术有了长足的发展，近年来PE管在城市燃气输配等领域得到了广泛的应用。由于PE管在我国的使用时间不长，生产、施工、应用经验不足，检测手段缺乏，致使PE管在燃气输配系统应用过程中产生许多新问题[1]。本文对PE燃气管道施工质量的管理进行探讨。
1 PE材料性能及优缺点
① 性能
a. 聚乙烯是一种高结晶度的聚合物，随温度的变化可分为3种状态：结晶态(坚硬固体)、高弹态(橡皮状弹性体)、粘流态(粘流体)。
b. 标准尺寸比(SDR)：指公称外径与公称壁厚的比值，有SDR11、SDR17.6两种系列。
c. 最小要求强度pMRS：PE80(中密度)的pMRS为8.0MPa，PE100(高密度)的pMRS为10.0MPa。
d.最大工作压力pMRS≤0.7MPa，工作温度范围为-20～40℃。
天然气的pMRS值见表1。
② 优缺点[2]
PE管用于燃气管道有以下优点：重量轻；具有良好的耐腐蚀性能(不需要防腐)；具有良好的柔韧性，施工中可随地形弯曲敷设，有一定的抗震、抗沉降能力；具有良好的焊接性能，连接方便快捷；可利用断气工具夹扁停气，缩小停气范围，便于快速抢修；使用寿命长，至少可以使用50年。但也具有以下局限性：由于怕紫外线照射、油污腐蚀、磕碰等原因，PE管存放期一般比较短；材料强度远低于钢管，容易受外力破坏；只能在埋地或遮挡紫外线的情况下使用，严禁用于地上明装敷设；性能指标受温度影响较为明显。
表1 天然气的PMOP值
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SDR11 PE100
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0.7
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SDR11 PE80
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0.5
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SDR17.6 PE100
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0.4
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SDR17.6 PE 80
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0.3
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2 质量管理
2.1 相关标准规范
PE燃气管道应符合现行的国家标准：GB 50028—2006{城镇燃气设计规范》、CJJ 33—2005《城镇燃气输配工程施工及验收规范》、CJJ 63—2008《聚乙烯燃气管道工程技术规程》、GB 15558.1—2003《燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系统 第1部分：管材》、GB 15558.2—2005《燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系统 第2部分：管件》的规定[3]。
2.2 材料的储运、使用
储运过程中应避免材料划伤，不得抛摔、沿地拖拽；室内存放时应存放在通风良好、温度低于40℃的仓库内，室外临时堆放时，必须有遮盖物，避免日晒雨淋；应放置于平整场地上，堆放高度不能超过规范要求，以免造成管材不圆度超标；远离热源，避免受到油品和化学品污染；从生产到使用的存放期，管材不宜超过1年，管件不宜超过2年。
使用前应核对规格、标准尺寸比(SDR11、SDR17.6)、材质等级(PE80、PE100)；检查材料表面是否有磕、碰、划伤，划伤深度不应超过管材壁厚的10%，否则应予切除；检查存放时间，若超期，应重新抽样进行性能检验，合格后方可使用。
2.3 人员的要求
PE管焊接人员应经过专业技术培训后方可上岗。操作人员应提高质量意识和安全责任意识，熟练掌握施工工艺规程，提高作业能力；要精心地使用、维护、检查施工机具；对操作过程应详细记录，发现问题应及时纠正。
发挥工程监理的作用，监理人员应认真核对操作人员的资格证件及材料的生产合格证，及时发现和纠正施工人员的错误操作，对于不合格或违反规范的操作应及时要求整改、返工。
2.4 焊接设备的使用
热熔焊机主要由机架、铣刀、加热板、液压控制箱等部分组成，种类分为手动型、半自动型、全自动型。半自动型和全自动型的主要区别是全自动型的焊接参数可全部储存在芯片上，切换操作自动控制，并自动监控记录焊接的全过程。
现有手动型热熔焊机已无法严格完成要求的焊接过程，无法严格满足焊接的工艺参数要求，不具备操作的可重复性。目前，郑州燃气集团已淘汰手动型热熔焊机，普及半自动型热熔焊机，全自动型热熔焊机正在引进之中。
焊机的工作状况直接影响焊接的质量。由于现有焊机缺乏定期检测、维护，导致的故障有：加热板温度分布不均匀，设定温度与实际温度不符；加热板表面材料(特氟隆或聚四氟乙烯)存在划伤现象，对焊件端面造成污染；部件可靠性差，压力控制不精确等。
建议采用符合相关标准要求的全自动型热熔焊机，其特点是可以进行过程监控、记录。每一道工序及焊接参数都需要确认，以便决定是否继续焊接；若发现工序及焊接参数出现偏离，焊接会自动终止；所有焊接参数都全程记录，便于追溯。由于可以固化经过验证的施工工艺参数，并能根据环境温度等自然环境条件自动进行调整，各种工艺参数记录可以存储、输出，减少了人为因素对焊口的影响，实现了焊接过程的可重复性、可追溯性，大大减轻了质量检查的工作量[1]。
电熔焊机分为半自动型和全自动型。半自动型已基本淘汰，全自动电熔焊机无须手动输入焊接参数，由读码器直接扫描电熔管件上的条形码。不同厂家生产的焊机有不同的参数，条形码能消除参数的误差，将所有的焊接参数自动输入焊机，对电熔管件进行加热焊接。
2.5 连接方式及焊接环境
热熔对接连接是PE燃气管道施工中主要采用的连接方法之一，使用的设备是热熔对接焊机。通过加热板同时加热需要焊接管材、管件的两个端面，使其达到熔化温度，撤去加热板，随即迅速贴合，通过焊接机具在一定的压力下冷却，冷却后达到熔接目的。
电熔承插连接也是PE燃气管道施工中主要的连接方法之一，使用的设备是电熔焊机。通过电熔焊机对预埋在电熔管件内表面的电阻丝通电后发热，使电熔管件内表面和承插管材的外表面达到合理的熔化温度，升温膨胀产生焊接压力，冷却后熔为一体，达到焊接目的。
热熔连接不需要额外管件，但对管径、管材有一定的要求，要求管道外径≥90mm或壁厚＞6mm，且不同材料级别、不同壁厚、熔体质量流动速率差大于规定值的管材、管件禁止使用热熔对接。热熔焊接缺点是对接比较困难，对操作人员的技术水平要求很高，且热熔焊机体积大，重量大，搬运困难，在管沟内进行热熔连接，管沟需加宽加大。
电熔连接方法对管径、管材没有严格要求，可连接不同材料级别及不同壁厚的管材、管件。但需要额外管件，因而增加管道造价，大口径的电熔管件造价相当高。电熔焊机一般为全自动型，操作人员出错的概率相对减小，焊接质量有很好的保证。电熔焊机体积较小，易于搬运，可在管沟沟槽内进行焊接，无须对沟槽特殊处理，施工方便。
管道热熔或电熔连接的环境温度应在-5～+45℃范围内，风力应小于5级。因此在寒冷的冬季，应采取保温、防风措施，并应调整连接工艺；炎热的夏季进行操作时，应采取遮阳措施。
管材、管件存放处与现场温差较大时，连接前应将管材、管件在施工现场放置一定时间，使其温度接近施工现场温度。
2006年11月，河南省中原工程管理有限公司在监理广东佛山市南海区怡翠馨园庭院燃气管道施工过程中发现了问题。对于采用PE80 SDR17.6系列的PE管材，相应的管件也应选用相应级别，但施工单位因把关不严，错误地领用了PE100 SDR11系列的热熔管件，焊接后因残余应力导致焊缝产生鼓泡、裂纹现象。查明原因后，要求切除该批热熔焊缝，全部采用电熔套筒连接，并对施工单位进行了经济处罚。
2.6 焊接工艺
在热熔焊接工艺参数中，与焊接直接有关的参数有焊接温度、时间和压力。在焊接温度确定的情况下压力和时间的关系见图1。
图中p1——总的焊接压力(表压)，MPa
p2——焊接规定的压力(表压)，MPa
p3——拖动压力(表压)，MPa
t1——卷边达到规定高度的时间，s
t2——焊接所需要的吸热时间。s
t3——切换所规定的时间，s
t4——调整压力到p1所规定的时间，s
t5——冷却时间，min
t6——总的焊接时间，min
对接焊接要获得质量合格的焊口，必须满足的基本条件是：①焊接界面必须清洁、干燥；②合理的加热温度和加热时间；③合适的外力，加剧分子变形。在加热过程中，施加水平径向拖力能平整管材端面上的不平整度，但若压力过大，会导致熔料流向焊端的边缘，改变焊接接头的形状，严重影响焊接质量。在熔接过程中，施加水平径向外力是为了排除气孔和气体夹杂物，消除受热氧化破坏的材料，补偿材料收缩。冷却过程是在保持一定外力的情况下，长时间内以缓慢速度进行焊缝材料的收缩、翻边结构的形成过程。
2.7 焊接质量检验及注意事项
连接完成后，应对接头进行100%的翻边对称性、接头对正性检验和不少于10%的翻边切除检验。翻边对称性检验和接头对正性检验是外观检查的最基本方法，也是比较简便和实用的方法。翻边切除检验操作相对复杂，需要专业工具和熟练的操作人员。目前，郑州燃气公司已经准备全面普及翻边切除检验方法。
翻边切除检验应符合下列要求[4]：
① 翻边应是实心圆滑的，根部较宽。
② 翻边下侧不应有杂质、小孔、扭曲和损坏。
③ 每隔50mm进行180°的背弯试验，不应有开裂、裂缝，接缝处不得露出熔合线。
当抽样检验的焊缝全部合格时，则此次抽样所代表的该批焊缝应认为全部合格；否则应按下列规定加倍抽样检验[4]：①除不合格焊缝需切除重焊外(不能进行修补)，每出现一道不合格焊缝，则应加倍抽检该焊工所焊的同一批焊缝，按本规程进行检验。②如第二次抽检仍出现不合格焊缝，则应对该焊工所焊的同批全部焊缝进行检验。
2008年2月20日，郑州市秦岭路与中原路交叉口南约200m处燃气管道发生焊缝开裂泄漏事故，长约20m的路面被顶起，影响部分用户用气达6h。从开裂焊缝的外观来看，内外翻边属正常范围，凸缘比较对称均匀；错边量未超标；开裂部位端面呈光滑状，绝大部分未粘连；试压结果正常。直接原因：加热温度不够；加热时间过短；焊接压力过大，以致熔融材料被过多挤出，凸缘翻出而焊缝内部却中空虚焊；焊缝未冷却到环境温度时即拆除夹具，移动接头，造成焊缝强度不足。间接原因：管道下方人防工程造成管道高程有变化，有附加应力作用于管道。该事故虽未造成严重后果，但说明热熔焊接在人员操作、机具管理、检测方法等方面还存在漏洞。因此，郑州燃气股份有限公司提出，对所有PE管焊工重新考试上岗，逐步引进全自动热熔焊机，按规范要求进行不少于10%的翻边切除检验，并对相关责任人进行了处罚。
2.8 非开挖施工方法在施工中的应用
非开挖施工方法近年来在市政工程中得到了越来越多的应用，但因其属隐蔽工程，施工过程中常常发生损坏其他地下设施的事故。2005年5月，郑州市冉屯路燃气管道施工中，在采用非开挖方法穿越冉屯东路时，将垂直方向的已供气PE燃气管道损坏，造成周边3×104户居民用气中断达12h。事故发生后，郑州燃气股份有限公司整顿了非开挖施工单位，明确提出非开挖施工的合格标准为：
桩号偏差≤1m，管位偏差≤0.5m，高程偏差≤0.2m；顶管过程中不应对地下管线及构筑物造成破坏；拖管过程中管腔不应进泥浆；管体不得产生严重变形，管体划伤深度不得超过壁厚的10%；钢管拖管过程中不应对防腐层造成破坏；PE管示踪线不应断裂。
要求非开挖施工的施工组织设计中必须有“图纸会审”部分，应包含以下内容：
① 管道起止点位置、管位、最大管道深度、管材、长度。
② 地下障碍物的名称、位置、深度。
③ 设计钻进曲线，包括最深钻点的位置、深度，起始点的深度，终止点的深度，并应符合曲率半径的要求(钢管的曲率半径≥1500倍外径，PE管的曲率半径≥25倍外径)。
随着这些要求的实施，近年来类似事故已逐步减少，接近于零。
3 结语
PE燃气管道系统质量直接影响城市燃气系统的运行。相关从业人员要充分认识PE管道系统的性能，不断总结完善质量控制体系和监督体系，全面促进PE管材、管件在燃气工程中的应用。
参考文献：
[1] 姜振世，孙东喜，徐彦丰.聚乙烯压力管道的质量控制[J].城市燃气，2005，(5)：19-21.
[2] 缪江.PE燃气管道的施工质量管理与控制[J].城市燃气，2005，(12)：18-21.
[3] 李长缨.城镇燃气聚乙烯管应用中相关问题研究[J].煤气与热力，2008，28(2)：B42-B47.
[4] CJJ 63—2008，聚乙烯燃气管道工程技术规程[S].
(本文作者：姬斌1 吕尚锋1 王健2 韩艳霞1 1.郑州燃气股份有限公司 河南郑州 450006；2.河南省中原工程管理有限公司 河南郑州 450003)
